刘建生居继龙张良
(中国传媒大学京隆广播技术研究所，北京 100024)
【摘要】文章介绍了L波段同轴线—矩形波导转接头的一种理论模型，并对转接头的输入阻抗和带宽进行了研究。经过研究发现，转接头的带宽特性可以通过改变探针形状和在矩形波导宽壁上添加若干调谐螺钉而得到充分改善。最后，利用基于有限元方法的三维电磁仿真软件COMSOL Multiphysics 3.4，对这种模型进行了全波分析和优化，最佳传输特性能够实现在全波导带宽内（1.13~1.73GHz）回波损耗-28dB以下，从而验证了这种结构的可行性。 【关键词】L波段；宽带；转接头
Design and Realization of Broad Band Rectangular Waveguide-Coaxial
Adapter at L-band
LIU Jian-sheng, JU Ji-long,ZHANG Liang
(Beijing-Lund Broadcasting Tech Lab, Communication University of China, Beijing 100024)
Abstract:The paper describes a theoretical model of coaxial-rectangular waveguide adapter at L-band. Input impedance and band width for the adapter is researched. After a careful investigation, we found that the bandwidth of the adapter could be fully improved by changing the probe shape and adding some tuning screws at the broad wall of the rectangular waveguide. In the end, the full-wave analysis and optimizing of a L-band coaxial-rectangular waveguide adapter are presented, using three-dimensional electromagnetic simulation software COMSOL Multiphysics 3.4 which is based on Finite Element Method. The optimal results show that the return loss from the coax-to- rectangular waveguide transition is better than -28 dB at the total bandwidth (1.13~1.73GHz) of corresponding rectangular waveguide. The result shows the structure is feasible.
Key words: L-band; Broad band; Adapter
1.引言
在广播电视发射系统和微波通讯领域中，同轴—矩形波导转换接头是一个不可缺少的元件。在好多微波系统里，例如天线、发射机、接收机和载波终端设备等，普遍用到了同轴波导转换接头。在微波输入、输出电路中，较强的反射波将可能对发射机或其它级联器件的正常工作造成严重干扰，导致微波系统性能不稳定，因此对转换的基本要求是：(1)低驻波、低的插入损耗；(2)有足够的频带宽度；(3)便于设计加工。
到目前为止，宽带同轴波导转换的方法主要有：利用阶梯波导转换、探针套介质转换等。阶梯波导转换是一种有良好过渡特性的结构，但需要精确的机械加工，体积也较大；探针套介质转换型接头的同轴内导体用介质套住，虽然这样降低了波导的等效阻抗，减小了阻抗对频率变化的敏感性，从而展宽了频带，但是，加了介质套筒后，会降低转换器的功率容量，因此这种装置多用于功率较低的情况。而且据[8]报道，内导体加介质护套对电大尺寸的转接头并不能改善带宽，但对电小尺寸的转接头，在低介电常数时，可以增加带宽。
Ｌ波段卫星数字声音广播具有广播质量高、覆盖面广等特点，随着Ｌ波段卫星数字音频广播技术的迅速发展以及手机电视T —DMB 在L 波段的覆盖，最近我们对L 波段的同轴—矩形波导转接头进行了研究。该器件在相应矩形波导（WR650）单模（TE 10模）工作的全部带宽内（1.13~1.73GHz ）具有良好的驻波系数。
2. 理论分析
波导接头的分析和设计，属于波导中的不连续问题。图1表示探针激励的同轴—矩形波导转接头。要精确地确定接头的带宽和反射特性，关键是出从同轴端看进去的输入阻抗的实部和虚部，它们是由插入波导内探针的自由感应电流导出的。由于在矩形波导中插入了探针，并在宽壁上开了孔，从而造成结构上的不连续性，这必然会在同轴线与波导的连接处产生高次模。但是，这种高次模在距连接处稍远的区域内会很快地衰减掉(因为波导对它们是截止的)。
图 1 探针激励波导
现在假设波导内壁和探针均为理想导体，探针在矩形波导宽边的正中位置。考虑电流对探针的激励，忽略其它任何的电磁耦合，那么该接头从同轴向波导看进去的输入阻抗为：
()432in 2in R Z x x x j dv I J E in
+++=•−=∫ (1) 式中E 为分布在探针体积v 上的电流J 在波导内产生的电场， I in 是输入电流，R in 是输入阻抗的实部，x 2、x 3、x 4是输入阻抗的虚部，x 2是矩形波导中TE 10主模产生的电抗，x 3、x 4是高阶模引起的电抗。
在TE 10单模工作频率范围内，因为高阶模可截止，因此x 3、x 4电抗忽略不计。R in 、x 2分别表示为： ()()()())/12(sin 2/1120)/1(sin 2/12402122222212222ka kL kh tg ka abk x ka kL kh tg ka abk R in ππππππ−⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=−⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=
同轴电缆接头(2)
因此，从同轴端看进去的输入反射系数为：
in 0in Z Z Z Z +−=Γ (3) 其中Z 0是同轴线的特性阻抗。通过反射系数和回波损耗的关系，就可计算出矩形波导—同轴接头的回波损耗特性。虽然适当地选择L 1、h 的尺寸，能使接头在工作频段内输入阻抗的电阻部分接近于同轴线的特性阻抗，从而得到低回波损耗的同轴—矩形波导转接头，但是带宽很有限。为实现从同轴线低阻抗（一般是50Ω）到波导高阻抗（一般大于377Ω）的最佳过渡，对同轴线来说，需要引
入阶梯阻抗，对矩形波导来说，需要引入调谐螺钉来改进匹配。这样才能使转换器在较宽的频率范围内实现阻抗匹配。
3.理论模型设计
图2是L波段宽带同轴线—矩形波导转接头的主剖面图，波导部分为WR650标准矩形波导（单模工作频率范围是1.13~1.73GHz，中心频率1.4GHz对应的波导波长为λg=281mm），长边a＝165.1mm，窄边b＝82.55mm。矩形波导一端短路，另一端为输出端，输出端设有一法兰，探针到短路面的距离为L1，转接头的总长L＝200mm。同轴端口采用1 5/8’ 标准电缆，Z0=50Ω，同轴线与矩形波导宽边垂直，
它的外导体与矩形波导宽边连接。同轴线外壳内径d1=38.8mm。内导体分为两段圆柱，直径分别为d2＝16.9mm、d3＝30.86mm，高度分别为h1、h2。其中探针顶部有半径为r＝0.5mm 的倒角。在已确定波导的口径尺寸下，其他尺寸按照下面一组经验公式确定。
图2 宽带同轴—矩形波导结构图
1)由于在探针点的电场是最强的，设在探针点的电场为E=UCOSΦ，短路面点的电场应为
E=0.5UCOSΦ，则Φ=60o。60 o/360 o=0.1667，因此探针到短路面的距离为：
L1≈0.1667λg=47mm。
2)WR650矩形波导的尺寸为a×b=161.5mm×82.55mm，因此同轴探针距输入面的距离：
h =h1+h2=b/2=41.28mm，其中h1=h2=h/2=20.6mm。
3)内导体末端大导体的直径：d3≈2d2
4)改善匹配的方法是将调谐螺钉置于波导体内，调谐螺钉的尺寸可参照同轴电缆内导体的尺
寸而略小为宜，我们选用Φ5的铝棒（必要时镀银）。第一个调谐螺钉距离探针的距离y1≈
λg/8=34.7，第一个调谐螺钉距离探针的距离y2≈λg/4=69.5mm。
4.验证分析
在许多微波系统中，经常需要将一种波导系统与另一种波导系统相接，其中最常见的就是同轴线到矩形波导的转接。随着高速大容量计算机的出现，人们可以应用各种数值计算方法对其进行精确分析和优化设计。过去是根据经验来设计转接头，既浪费材料，设计周期又长。因此利用计算机辅助设计是产品开发不可缺少的一步。
下面通过仿真来分析理论模型的电特性。按照上面经验估计的数据，在COMSOL Multiphysics 3.4中
绘出如图2所示转接头的三维结构。采用1 5/8’标准同轴端口作为输入口，然后进行材料设置、端口和辐射边界的设置及求解方面的设置，同轴线外导体为黄铜，内导体和阶梯探针为黄铜镀银，矩形波导壁为铝板，黄铜的电导率为σCu＝1.5×107s/m，铝的电导率为σAl＝3.8×107s/m，同轴线和矩形波导内填充的介质都为空气，空气相对介电常数为εr＝1。扫描频率设置为1.13～1.73GHz，完
成后开始求解调试。
因为同轴线内导体的直径是固定的，因此只需要调节内导体伸入波导的长度h1、内导体末端所挂导体圆盘的直径d3和高度h2、探针到短路面的距离L1以及两个调谐螺钉的位置y1，y2及他们的深度，具体方法是先固定其中一个变量，调节另一个变量，然后观察仿真结果，再做出调整，一直调整到得出满意结果为止。
对于同轴—矩形波导转换器的仿真来说，我们最关心的便是通带内的回波损耗。经过调试、优化，因为有了理论估计的尺寸，很短时间就可确定接头具有最佳传输特性时的结构尺寸（L1=52.8mm、h1=19mm、h2=22.2mm、d3=30.86mm，y1=37mm，y2=63.5mm），具有最佳传输特性时的回波损耗曲线如图3（a）（b）所示。图3（a）是单个同轴波导的回波损耗曲线，图3（b）是两个一模一样的同轴波导背靠背接在一起时的回波损耗曲线。
图3（a）单个同轴波导回波损耗曲线图3（b）两个同轴波导接一起时回波损耗曲线
从图3（a）（b）结果可看出，回波损耗≤-28dB的频率范围为1.13～1.73GHz，中心频率1.4GHz，相对带宽可以达到43%，从而表明设计是可行的。
在调试的过程中，发现：
1)探针到短路面的距离L1的变化，直接影响器件回波损耗数据。下面我们做了5档测试，Δ
=2mm。结果如图4所示，调试数据说明，L1的变化使曲线上下平移，并且在调节范围内有
一个最佳值。
图4 探针到短路面的距离变化对回波损耗的影响
2)图5比较了不插入螺钉、插入第一颗螺钉、同时插入两颗螺钉时，接头的回波损耗曲线。
仿真结果表明，调谐螺钉的应用，很大程度上改善了转接头的带宽。
图5 匹配螺钉对接头回波损耗的影响
5.结论
通常，我们认为探针激励波导的转接头频带较窄，然而我们发现改变探针形状和增加调谐螺钉，可以增加带宽。本文正是介绍了这种宽带同轴—矩形波导转接头的原理和设计方法，结合经验和计算机辅助设计来设计这种转接头，既不浪费材料，大大缩短了设计周期。根据这种方法设计的L波段同轴—矩形波导转接头，在全波导带宽内（1.13~1.73GHz）回波损耗-28dB以下，而且不需要多级转换、结构紧凑、外形尺寸小、加工方便、装卸容易。此元件可望在工程实践中得到实际应用。
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